基于LabVIEW的多通道sEMG信號檢測系統(tǒng)設(shè)計*

萬 莎,侯文生,楊丹丹,吳小鷹,鄭小林,Jiang Yingtao

(1.重慶大學 生物工程學院,重慶400044;2.Department of Electrical and Computer Engineering,University of Nevada,Las Vegas 89154)

表面肌電sEMG(surface Electromyography)信號是在皮膚表面記錄的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的生物電活動，反映肌肉的活動狀態(tài)，由于其無創(chuàng)性和簡單性在臨床康復及人機交互方面[1]有廣泛的應(yīng)用前景。多通道sEMG信號檢測是一種新的記錄方法，它能同時獲得肌肉活動時的大量空間和時間分布信息[2]，在肌肉活動分析中具有重要價值。

近年來，國內(nèi)外在多通道sEMG信號檢測系統(tǒng)設(shè)計方面已做了相關(guān)工作。G.Vijaya Krishna Prasad[3]等研究了一種基于DSP的5通道sEMG信號實時采集系統(tǒng)；胡巍[4]等利用單片機設(shè)計了一種無線多通道sEMG信號實時采集系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是低成本高性能的計算機資源得到普及應(yīng)用，虛擬儀器VI（Virtual Instruments）應(yīng)運而生，它是利用計算機強大的計算資源和豐富的軟硬件資源來組成的儀器系統(tǒng)，實現(xiàn)從傳統(tǒng)儀器向計算機系統(tǒng)的過渡，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，并增強系統(tǒng)的功能和靈活性。LabVIEW是一種易于編程和調(diào)試的圖形化工具平臺，是標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，具有強大的數(shù)據(jù)處理及分析能力。

本文設(shè)計了前置調(diào)理電路,并結(jié)合NI公司開發(fā)的DAQ數(shù)據(jù)接口卡和LabVIEW開發(fā)了一種實驗用sEMG信號檢測分析系統(tǒng),完成4通道sEMG信號的實時采集顯示和時頻域的特征分析。

1 硬件電路設(shè)計

sEMG信號是一種微弱的、非平穩(wěn)的隨機電信號，其振幅約為 10～5 000 μV，頻率分布在 20～500 Hz[5]，容易受50 Hz工頻干擾的影響，因此本文設(shè)計了如圖1所示的硬件電路，主要包括前置放大、帶通濾波、50 Hz陷波、功率放大等部分。

1.1 前置放大

為有效放大差模信號并抑制共模信號以獲得較高信噪比，本文采用三運放儀表放大器AD620(最小共模抑制比為 100 dB，輸入阻抗為 10 GΩ||2 pF)作為前置放大，如圖2(a)所示，可通過外接電阻 R1改變電路的增益。實驗中選用R1為10 kΩ的可調(diào)電阻，設(shè)置R1≈185 Ω，前級放大倍數(shù)為:

1.2 高通、低通濾波電路

濾波電路是為了提取出有效頻段的sEMG信號，去除直流以及高頻、低頻信號成分，本文設(shè)計了一個通帶范圍為20～500 Hz的帶通濾波電路,具體如圖2(a)所示。高通濾波由一個二階有源濾波電路組成，實驗選用R2=R3=150 kΩ，C1=C2=100 nF，截止頻率為:

實際測得幅頻特性如圖2(b)；對于低通濾波電路，本文選用8階開關(guān)電容濾波器MAX296,其中 C3=152 nF，對應(yīng)的截止頻率為:

實際測得其幅頻特性如圖2(c)所示。

1.3 50 Hz陷波電路

50 Hz工頻是sEMG信號有效頻段內(nèi)最主要的干擾，本文采用傳統(tǒng)雙T有源濾波器來濾除50 Hz工頻干擾，具體電路如圖 2(a)所示。其中 R4=R5=68 kΩ，C4=C5=47 nF，計算得陷波中心頻率為:

實際測得電路的幅頻特性如圖2(d)所示。

1.4 功率放大

本系統(tǒng)采用NI USB6008采集接口卡，其輸入范圍為-10 V～+10 V，因此設(shè)計了功率放大電路。功率放大電路采用低噪聲、非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器OP07實現(xiàn)，如圖 2(a)所示，其中 R8=R10=1 kΩ，R9為 100 kΩ的電位器，設(shè)置R9=20 kΩ，功率放大電路的增益為:

1.5 電路幅頻特性測試

實驗采用掃頻信號,即幅值2 mV、頻率范圍5～1 000 Hz的正弦信號,對設(shè)計的sEMG信號拾取電路的幅頻特性進行了測試,實際測得整個電路的幅頻特性如圖3所示。

由圖3可知，電路對高于500 Hz的高頻信號具有較好的抑制作用，對接近50 Hz以及50 Hz信號的衰減比較明顯，但對低于20 Hz的低頻和直流信號分量，其濾波效果不是很理想，會在后續(xù)分析處理中進行數(shù)字濾波來改善這一效果。此外，在100～500 Hz頻段范圍內(nèi),電路的增益大于60 dB,基本接近電路的理論設(shè)計增益64 dB?？偟膩碚f,整個電路能對有效頻段內(nèi)信號進行放大、濾波。

本實驗同時對前置調(diào)理電路4個通道的性能參數(shù)進行了測試，結(jié)果如表1所示。

表1 4通道性能參數(shù)

由表1可知，實際實驗中4通道電路性能良好，能獲得20～500 Hz有效頻段內(nèi)的sEMG信號，并對50 Hz的工頻干擾有較好的抑制作用。

2 信號采集與分析

本研究需利用數(shù)據(jù)接口卡將前置調(diào)理電路拾取的sEMG信號上傳到PC機上,并結(jié)合LabVIEW軟件編程實現(xiàn)sEMG信號的實時采集顯示及時頻域的分析處理。整個部分包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析兩個模塊,程序如圖4所示。

2.1 信號采集

信號采集模塊是通過數(shù)據(jù)接口卡完成對4通道sEMG信號的實時采集與顯示，由參數(shù)設(shè)置、濾波控制、數(shù)據(jù)保存三個部分組成，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)保存以及數(shù)據(jù)控制。

參數(shù)設(shè)置是用來對數(shù)據(jù)采集卡進行設(shè)置的,通過DAQ助手.VI實現(xiàn)，實驗中設(shè)置 4通道模擬輸入,采樣頻率2 000 Hz，采樣數(shù)為1 000以及連續(xù)采樣的方式，同時為了提高精度，輸入范圍設(shè)為-3 V～+3 V。

濾波是由Filter.VI實現(xiàn)的，實驗中將該Filter配置為3階Butterworth帶通濾波器，其頻率范圍為20～500 Hz，以進一步提取20～500 Hz頻段內(nèi)的sEMG信號。

數(shù)據(jù)保存是將濾波后的信號進行數(shù)字到字符串的變換，并寫入文本文件（.txt）以便回放顯示，它是通過Write To Spreadsheet File.VI實現(xiàn)的。

2.2 信號分析

信號分析模塊是完成采集信號的特征分析，包括時域中的均方根計算和頻域中的功率譜峰值計算。

(1)均方根

均方根（Root Mean Square）是 sEMG信號時域分析中的一種典型特征值，可以用來衡量肌電信號的大小，并且sEMG信號的均方根值隨力量水平的增加而增大[6]。計算公式為：

其中，s(t)為肌電信號；Xi為 s(t)的采樣值；T為觀測時間長度；t0為觀測起始時間；N為觀測點數(shù)。

均方根計算的具體實現(xiàn)方法：先將濾波后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為一維數(shù)組，然后調(diào)用RMS.VI讀取數(shù)組中的數(shù)字并計算其均方根值，將結(jié)果存于數(shù)組，最后調(diào)用波形圖表（waveform chart）讀取數(shù)組中的RMS值并顯示，這樣不斷計算采樣窗內(nèi)的濾波信號，直到窗內(nèi)無信號輸出為止。

(2)功率譜峰值

研究表明，當肌肉收縮力變化不大時，sEMG信號的功率譜峰值比較穩(wěn)定[7]，并且sEMG信號的功率譜峰值會隨著力量的增加而增加[6]。功率譜峰值計算可分兩步實現(xiàn)：先計算濾波后信號的功率譜，公式為：

其中SXX(f)為輸出信號序列的功率譜；X(f)為肌電信號X(t)的傅里葉變換；N為信號序列的點數(shù)。然后計算信號功率譜最大值。

功率譜峰值計算的實現(xiàn)方法：先調(diào)用Spectrum measurement.VI，讀取濾波后的數(shù)字信號，計算功率譜值，其中窗選用hanning窗，輸出結(jié)果方式配置為線性輸出，結(jié)果保存在數(shù)組中；然后調(diào)用Array Max&Min.VI計算數(shù)組中的最大值，并以數(shù)組形式保存，最后利用波形圖表（waveform chart）讀取數(shù)組中的值并顯示。這樣不斷計算采樣窗內(nèi)濾波后的信號,直到采樣窗內(nèi)無信號輸出為止。

2.3 采集分析結(jié)果

結(jié)合前臂表面肌電電極陣列[8]以及手部運動機能實驗系統(tǒng)[9]，實驗采集了1名健康在校研究生前臂指總伸肌的sEMG信號，并對其進行了特征分析。信號采集和分析程序的運行界面如圖5所示，當前顯示的是受試者在力量逐漸增大時采集到的4通道5 s時間的sEMG信號及其特征分析后的結(jié)果。

實驗結(jié)果表明，sEMG信號的幅值、RMS值和功率譜峰值隨著力量的增加而增大，與參考文獻[6]結(jié)果一致，從而可知本文設(shè)計的4通道sEMG拾取電路能采集到健康受試者的sEMG信號，并且編寫的LabVIEW程序能實現(xiàn)采集信號的實時顯示及其不同特征分析處理。

本文搭建了4通道sEMG信號拾取電路并結(jié)合數(shù)據(jù)接口卡以及LabVIEW編程軟件，設(shè)計基于LabVIEW的4通道sEMG信號檢測分析系統(tǒng)。結(jié)合前臂表面肌電極陣列以及手部運動機能實驗系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)采集并分析了受試者在力量增大時前臂肌肉的sEMG信號及其均方根、功率譜峰值。結(jié)果表明，本文設(shè)計的多通道sEMG信號檢測系統(tǒng)能實現(xiàn)4通道sEMG信號的實時采集顯示及其時頻域特征分析。

當然，本設(shè)計也存在一些不足，如由于陷波器中R、C不完全對稱,從而引起50 Hz附近sEMG信號產(chǎn)生不同程度的衰減，后續(xù)以50 Hz的數(shù)字陷波器代替模擬陷波器。此外，本文只針對4個通道的信號進行了采集及時頻域特征分析，如果擴展到更多通道信號的采集及其他特征分析處理，則需考慮采樣數(shù)據(jù)的大小以及各通道間的延遲效應(yīng)，保證系統(tǒng)的實時性。

[1]Song Rong,Tong Kaiyu,Hu Xiaoling,et al.Assistive control system using continuous myoelectric signal in robotaided arm training for patients after stroke[J].IEEE Transaction on Neural Systems and Rehabilitation Engineering,2008,16(4):371-379.

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[8]侯文生,楊丹丹,胡寧,等.基于柔性印刷工藝的表面肌電電極陣列裝置的設(shè)計[J].傳感技術(shù)學報,2010,23(5):621-625.

[9]侯文生,馬麗,鄭小林,等.基于 LabVIEW的手部運動機能研究實驗系統(tǒng)的設(shè)計[J].儀器儀表學報,2007,28(9):1614-1617.